渦輪增壓技術(shù)是實現(xiàn)內(nèi)燃機節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略舉措。其中,非對稱渦輪增壓技術(shù)是滿足內(nèi)燃機更嚴(yán)油耗和排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)。研究非對稱渦輪增壓技術(shù),對實現(xiàn)內(nèi)燃機進一步節(jié)能減排和我國下一代車用內(nèi)燃機的開發(fā)具有重要意義。論文結(jié)合理論、仿真和實驗方法,對內(nèi)燃機非對稱渦輪增壓技術(shù)的匹配規(guī)律、性能特點、技術(shù)改進和循環(huán)優(yōu)化進行了深入研究。論文建立了非對稱渦輪增壓內(nèi)燃機數(shù)值仿真模型并完成實驗驗證。仿真和實驗數(shù)據(jù)相對誤差在2%以內(nèi),符合研究要求�；谠撃Ｐ�,研究得到非對稱渦輪非對稱度、喉口面積和效率等關(guān)鍵參數(shù)對內(nèi)燃機性能的定量影響規(guī)律,為實現(xiàn)非對稱渦輪增壓器與內(nèi)燃機更優(yōu)的匹配奠定了基礎(chǔ)。論文探明非對稱相對于對稱渦輪增壓技術(shù)的性能優(yōu)勢;同時,指明在不同廢氣再循環(huán)（EGR）率需求下非對稱、變幾何和兩級渦輪增壓技術(shù)策略的選擇方向。研究結(jié)果表明,在內(nèi)燃機全負荷工況范圍內(nèi),非對稱渦輪增壓技術(shù)的性能均優(yōu)于對稱渦輪增壓技術(shù)。在不同EGR率需求下,渦輪增壓策略的選擇不同,非對稱、變幾何和兩級渦輪增壓內(nèi)燃機性能相對優(yōu)勢存在一個拐點。本研究中EGR率低于29%時,兩級渦輪增壓技術(shù)性能最優(yōu);而EGR率高于29%時,非對稱渦輪增壓技術(shù)... 

【文章來源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：127 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

非對稱渦輪增壓內(nèi)燃機系統(tǒng)簡圖[54]

為了滿足更嚴(yán)的內(nèi)燃機油耗和排放法規(guī),戴姆勒-奔馳公司在上世紀(jì)90年代提出非對稱渦輪增壓設(shè)計理念。隨后,開始對非對稱渦輪增壓技術(shù)展開研究,并逐步應(yīng)用在實際產(chǎn)品(如圖1.9)中。在2008年,Müller等人[60]提出非對稱渦輪增壓器是奔馳卡車內(nèi)燃機的重要組成部分,該內(nèi)燃機使用EGR來滿足NOx排放要求,并得出結(jié)論:非對稱渦輪增壓器可以在較少的泵氣功下實現(xiàn)更高的EGR率。同時,他們通過三維CFD模擬得到了非對稱渦輪的流動特性以及大蝸殼和小蝸殼通道中氣體流動的相互關(guān)系。大蝸殼通道在脈沖流動下,對葉輪的做功效率更高。在沒有完整的非對稱渦輪幾何的情況下,Fredriksson等人[61]建立了一種非對稱渦輪平均線模型,可以在每個入口指定進氣總溫,從而得到一組真實的建模系數(shù)。通過實驗驗證,該模型具有較好的預(yù)測精度。同年,Krüger等人[62]介紹了奔馳公司設(shè)計生產(chǎn)的面向全世界應(yīng)用的OM470型號重型柴油機,其排量為10.7L。該發(fā)動機設(shè)計有兩款,排量均為10.7升,分別針對歐Ⅵ和TIER4排放法規(guī)設(shè)計,分別裝備非對稱度為44%和48%的非對稱渦輪增壓器。渦輪和壓氣機峰值效率分別達到80%和71%,最大EGR率達到34%。與之前奔馳所設(shè)計的OM457(滿足歐Ⅴ排放法規(guī),未使用非對稱渦輪增壓技術(shù))相比,燃油消耗率最大下降約5%。隨后,奔馳公司相繼開發(fā)了14.8L OM472,12.8L OM471,15.6L OM473等一系列重型柴油機,均裝備有非對稱渦輪增壓器,且在燃油經(jīng)濟性和排放性能上取得很大的提高,部分滿足歐Ⅵ排放法規(guī)[63,64]。其中,幾款典型內(nèi)燃機的參數(shù)如表1.1所示。隨著非對稱渦輪增壓器的研究逐步深入,一些研究人員開始對其內(nèi)部的流動機理進行研究,并發(fā)展了相應(yīng)的仿真預(yù)測模型。Brinkert等人[66]研究了對稱和非對稱渦輪的兩個蝸殼通道內(nèi)部流動的相似性。如圖1.9所示,他們對非對稱渦輪進行了三次實驗:(1)兩個蝸殼通道同時均勻進氣;(2)堵塞小通道,僅大通道進氣;(3)堵塞大通道,僅小通道進氣。很顯然,由于大通道喉口面積較大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]針對非對稱度分別為45%,55%和65%的非對稱渦輪進行實驗,結(jié)果表明不同的非對稱度對應(yīng)不同的渦輪堵塞流量。并且,小蝸殼通道做功效率最低,渦輪整體效率最高。通過非對稱渦輪與整機的匹配分析,可以得到合適的非對稱度。在滿足排放所要求的EGR率的前提下,使得渦輪效率最高的非對稱度為最佳的非對稱度。同時,他們還在脈沖增壓工況下對兩個蝸殼通道進行優(yōu)化,特別針對小蝸殼通道,主要通過設(shè)計一個帶有很大流向變化的軸向渦輪葉輪來提高小蝸殼通道的效率。為了避免渦輪葉輪的機械故障,非對稱渦輪葉輪的固有頻率需要很高。Hand等人[67]開發(fā)了一種面向控制的平均值模型,并將其推廣到非對稱渦輪渦輪,具有較高的模擬精度。針對非對稱渦輪渦輪兩個蝸殼通道在方向上的不對稱性,Wang等人[68]進行了三維數(shù)值模擬,研究了渦輪在進口穩(wěn)定來流和脈沖來流條件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]對非對稱渦輪平均線模型進行了系統(tǒng)總結(jié),并在原有模型的基礎(chǔ)上增加了三種模型:小蝸殼通道模型、進氣道模型和間隙模型,并對其進行了實驗驗證,研究兩個蝸殼通道在等壓、等質(zhì)量流量和不等質(zhì)量流量三種進氣工況下的性能。

隨著非對稱渦輪增壓器的研究逐步深入,一些研究人員開始對其內(nèi)部的流動機理進行研究,并發(fā)展了相應(yīng)的仿真預(yù)測模型。Brinkert等人[66]研究了對稱和非對稱渦輪的兩個蝸殼通道內(nèi)部流動的相似性。如圖1.9所示,他們對非對稱渦輪進行了三次實驗:(1)兩個蝸殼通道同時均勻進氣;(2)堵塞小通道,僅大通道進氣;(3)堵塞大通道,僅小通道進氣。很顯然,由于大通道喉口面積較大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]針對非對稱度分別為45%,55%和65%的非對稱渦輪進行實驗,結(jié)果表明不同的非對稱度對應(yīng)不同的渦輪堵塞流量。并且,小蝸殼通道做功效率最低,渦輪整體效率最高。通過非對稱渦輪與整機的匹配分析,可以得到合適的非對稱度。在滿足排放所要求的EGR率的前提下,使得渦輪效率最高的非對稱度為最佳的非對稱度。同時,他們還在脈沖增壓工況下對兩個蝸殼通道進行優(yōu)化,特別針對小蝸殼通道,主要通過設(shè)計一個帶有很大流向變化的軸向渦輪葉輪來提高小蝸殼通道的效率。為了避免渦輪葉輪的機械故障,非對稱渦輪葉輪的固有頻率需要很高。Hand等人[67]開發(fā)了一種面向控制的平均值模型,并將其推廣到非對稱渦輪渦輪,具有較高的模擬精度。針對非對稱渦輪渦輪兩個蝸殼通道在方向上的不對稱性,Wang等人[68]進行了三維數(shù)值模擬,研究了渦輪在進口穩(wěn)定來流和脈沖來流條件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]對非對稱渦輪平均線模型進行了系統(tǒng)總結(jié),并在原有模型的基礎(chǔ)上增加了三種模型:小蝸殼通道模型、進氣道模型和間隙模型,并對其進行了實驗驗證,研究兩個蝸殼通道在等壓、等質(zhì)量流量和不等質(zhì)量流量三種進氣工況下的性能。非對稱渦輪增壓技術(shù)發(fā)展較晚,與變幾何渦輪增壓和兩級渦輪增壓相比,其結(jié)構(gòu)較簡單,成本較低,具有很大的節(jié)能減排潛力。但是,非對稱渦輪增壓技術(shù)仍存在一些問題未解決。內(nèi)燃機的工況變化范圍較大,非對稱渦輪增壓器與內(nèi)燃機的匹配十分重要且復(fù)雜,目前公開的文獻中還未對其進行詳細的研究[70]。同時,非對稱渦輪增壓技術(shù)相對于其他廢氣渦輪增壓技術(shù)的優(yōu)勢和不足還不明確,具有在內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)速和EGR閥部分開度時由于自身結(jié)構(gòu)造成內(nèi)燃機燃油經(jīng)濟性惡化和廢氣能量的利用還不充分等問題[71,72]。因此,非對稱渦輪增壓技術(shù)的研究對實現(xiàn)內(nèi)燃機進一步節(jié)能減排和我國下一代車用內(nèi)燃機的研發(fā)具有十分重要的意義。


本文編號：3343312